基于真實(shí)問題情境下的高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)

■河北省衡水市故城縣教育局教研室 顏建河

盤點(diǎn)近年來的高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)試題,不難發(fā)現(xiàn),通過題目中的真實(shí)情境呈現(xiàn),考查必備知識(shí),突出關(guān)鍵能力,注重學(xué)用結(jié)合。同時(shí),強(qiáng)調(diào)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)對能力考查的作用,要求考生能預(yù)測或描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,對觀察、記錄到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,并得出正確結(jié)論的能力,真正做到“注重過程學(xué)習(xí)”這一指導(dǎo)方針。這就要求我們在復(fù)習(xí)中,必須打好扎實(shí)的基礎(chǔ)學(xué)科基本功,要以真實(shí)問題情境為載體,建立科學(xué)的思維分析方法。要走進(jìn)實(shí)驗(yàn),從實(shí)驗(yàn)中感悟科學(xué)探究的方法,并不斷地提出問題和解決問題,要對基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能進(jìn)行深入的理解和歸納,直至創(chuàng)新,以最大程度的發(fā)展來提升能力。

一、以不同的視角審視已做過的實(shí)驗(yàn),學(xué)會(huì)對知識(shí)的歸納、遷移,直至創(chuàng)新

高考試題以《課程標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù),著眼教材,明確化學(xué)實(shí)驗(yàn)與探究的能力要求,這就要求我們在對化學(xué)實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí)中,要從不同的視角審視已做過的實(shí)驗(yàn),從深層次上提出問題。同時(shí),要從大的方面去歸納整理,對一些細(xì)小的地方也要進(jìn)行歸納和整理,切不可忽視。例如,在復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)室制Cl2的實(shí)驗(yàn)時(shí),要細(xì)致閱讀教材中的演示實(shí)驗(yàn),明確實(shí)驗(yàn)操作流程,理解實(shí)驗(yàn)原理,思考常規(guī)實(shí)驗(yàn)的非常規(guī)做法,同時(shí),從操作到現(xiàn)象和原理都要熟練掌握。復(fù)習(xí)時(shí)做到多提問:①選擇氣體發(fā)生裝置的條件有哪些? 中學(xué)常用的氣體發(fā)生裝置有幾套? 分別適用于哪些氣體的制備? ②除MnO2外,KMnO4、K2Cr2O7、KClO3等作氧化劑,是否可以制得Cl2? ③制得的Cl2中含有HCl、H2O,如何除去? 中學(xué)常見的干燥劑有哪些? 干燥裝置有哪些? 使用干燥劑的原理及注意事項(xiàng)是什么? ④該實(shí)驗(yàn)為什么只能用濃鹽酸? 收集有毒、有污染的氣體時(shí)應(yīng)注意些什么? 其實(shí)驗(yàn)裝置如何設(shè)計(jì)? 等等。

例1實(shí)驗(yàn)室可用氯氣與金屬鐵反應(yīng)制備無水三氯化鐵,該化合物呈棕紅色,易潮解,100 ℃左右時(shí)升華。圖1 是兩名學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置,左邊的反應(yīng)裝置相同,而右邊的產(chǎn)品收集裝置則不同,分別如(Ⅰ)和(Ⅱ)所示。

圖1

試回答:

(1)B中反應(yīng)的化學(xué)方程式為_____。

(2)D 中的反應(yīng)開始前,需排除裝置中的空氣,應(yīng)采取的方法是____。

(3)D 中反應(yīng)的化學(xué)方程式為_____。

(4)裝置(Ⅰ)的主要缺點(diǎn)是____。

(5)裝置(Ⅱ)的主要缺點(diǎn)是____,如果選用此裝置來完成實(shí)驗(yàn),則必須采取的改進(jìn)措施是_____。

解析：對于化學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí),要從過程開始,注重細(xì)節(jié),善于歸納與總結(jié)。真實(shí)的實(shí)驗(yàn)問題的提出方式多種多樣,對鞏固所學(xué)知識(shí),掌握實(shí)驗(yàn)基本操作技能,發(fā)展遷移、創(chuàng)新能力都將起到積極的促進(jìn)作用。面對不同的實(shí)驗(yàn)裝置,盡可能多提出問題,并能根據(jù)所學(xué)物理、化學(xué)原理去思考、判斷、評價(jià)其裝置的真正作用,最終學(xué)會(huì)對簡單的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)Cl2有何種重要物理、化學(xué)性質(zhì)? 實(shí)驗(yàn)室采用何種裝置進(jìn)行制備? 采用何種方法(裝置)進(jìn)行干燥? 如何收集呢? 怎樣證明Cl2將反應(yīng)裝置中的空氣排凈呢? 尾氣能不經(jīng)過處理直接排放到大氣中嗎? 用何種方法凈化呢?

(2)何為升華現(xiàn)象? 易升華的物質(zhì)能否采用導(dǎo)氣管導(dǎo)出? 用何種方法導(dǎo)出最好呢?

(3)何為潮解現(xiàn)象? 對易潮解的物質(zhì)應(yīng)采用何種裝置來防止其潮解呢?

針對上述問題的提出,結(jié)合所學(xué)知識(shí),考生便可迅速解決(回答)以上問題,并能對該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、操作方法作出正確的全面的判斷和評價(jià)。最終回答出兩名學(xué)生所設(shè)計(jì)裝置的缺陷與不足,從而在問題情境中提出問題、解決問題,實(shí)現(xiàn)在復(fù)習(xí)知識(shí)的過程中,正確、完整地解答出題目中的各個(gè)問題。

答案：(1)+Cl2↑+2H2O

(2)B中的反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后,看到黃綠色氣體充滿裝置,再開始加熱D

(4)導(dǎo)管易被產(chǎn)品堵塞;尾氣中含沒有反應(yīng)完的Cl2,排入空氣中易造成環(huán)境污染

(5)產(chǎn)品易受潮解 在瓶E 和F 之間連接裝有干燥劑的裝置

二、了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒉襟E和原理,學(xué)會(huì)對簡單的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)與評價(jià)

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),高考試題對考生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾?都是通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、描述實(shí)驗(yàn)操作步驟、推測實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方式完成,且在高考中占有非常重要的地位。創(chuàng)建“問題”情境,通過恰當(dāng)?shù)摹皢栴}”設(shè)計(jì),不僅可以突出復(fù)習(xí)重點(diǎn),而且可以體現(xiàn)核心素養(yǎng)內(nèi)涵,培養(yǎng)考生的綜合能力。在復(fù)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí),要做到“一個(gè)了解、五個(gè)會(huì)”,即:了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒉襟E和原理;會(huì)控制條件,會(huì)使用儀器,會(huì)觀察分析,會(huì)解釋結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論,會(huì)設(shè)計(jì)簡單的實(shí)驗(yàn)方案及評價(jià)。

例2實(shí)驗(yàn)室以含有Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、Br-等離子的鹵水為主要原料制備無水CaCl2和Br2,流程如下:

(1)操作Ⅰ使用的試劑是____,所用主要儀器的名稱是_____。

(2)加入溶液W 的目的是____。用CaO調(diào)節(jié)溶液Y 的pH,可以除去Mg2+。由表1中數(shù)據(jù)可知,理論上可選擇的pH 最大范圍是____。酸化溶液Z時(shí),使用的試劑為____。

表1

(3)實(shí)驗(yàn)室用貝殼與稀鹽酸反應(yīng)制備并收集CO2氣體,圖2所示裝置中合理的是_____。

圖2

(4)常溫下,H2SO3的電離常數(shù)Ka1=1.2×10-2,Ka2=6.3×10-3,H2CO3的電離常數(shù)Ka1=4.5×10-7,Ka2=4.7×10-11。某同學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證H2SO3酸性強(qiáng)于H2CO3:將SO2和CO2氣體分別通入水中至飽和,立即用酸度計(jì)測兩溶液的pH,若前者的pH 小于后者,則H2SO3酸性強(qiáng)于H2CO3。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不正確,錯(cuò)誤在于____。

設(shè)計(jì)合理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證H2SO3酸性強(qiáng)于H2CO3(簡要說明實(shí)驗(yàn)步驟、現(xiàn)象和結(jié)論,儀器自選):___。

供選的試劑:CO2、SO2、Na2CO3、NaHCO3、Na2SO3、NaHSO3、蒸餾水、飽和石灰水、酸性KMnO4溶液、品紅溶液、pH 試紙。

解析：考生在面對這樣的實(shí)驗(yàn)問題情境時(shí),對所給框圖轉(zhuǎn)化及儀器都是熟悉的,但對其作用并不一定都清楚。這時(shí)考生要學(xué)會(huì)自己提出問題,并能根據(jù)所學(xué)物理、化學(xué)原理去思考、判斷、評價(jià)其裝置的真正作用,最終學(xué)會(huì)對簡單的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)因?yàn)榧尤隒aO 的目的是除去Mg2+,故加入W 的目的是除去;為了不使Ca2+沉淀,pH 的理論值為11.0≤pH ＜12.2;酸化時(shí),為不引入新的雜質(zhì)離子,應(yīng)選用鹽酸。

(3)裝置的選擇,應(yīng)從發(fā)生裝置、除雜裝置和收集裝置三個(gè)方面分析。a中收集方法不對;c中的長頸漏斗應(yīng)插在液面以下;b、d是合理的。

(4)要通過測pH 判斷兩種酸的酸性強(qiáng)弱,兩種酸的濃度必須是相等的,而SO2的溶解度遠(yuǎn)大于CO2的溶解度,兩飽和溶液的濃度不相等,故該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是錯(cuò)誤的。

驗(yàn)證酸性強(qiáng)弱,最常用的原理是強(qiáng)酸置換弱酸,故實(shí)驗(yàn)步驟:將SO2通入NaHCO3溶液中,生成的氣體再通過酸性高錳酸鉀溶液除去過量的SO2,再用品紅溶液檢驗(yàn)SO2是否除盡,最后通入飽和石灰水中。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:品紅溶液不褪色,飽和石灰水變渾濁。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:H2SO3酸性強(qiáng)于H2CO3。

答案：(1)四氯化碳 分液漏斗

(3)b、d

(4)用于比較pH 的兩種酸的物質(zhì)的量濃度不相等

三種參考方案如下:

方案一:配制相同物質(zhì)的量濃度的NaHCO3和NaHSO3溶液,用酸度計(jì)(或pH試紙)測兩種溶液的pH。前者的pH 小于后者,證明H2SO3酸性強(qiáng)于H2CO3

方案二:將SO2氣體依次通過NaHCO3(或Na2CO3)溶液、酸性KMnO4溶液、品紅溶液、澄清石灰水。品紅溶液不褪色且澄清石灰水變渾濁,證明 H2SO3酸性強(qiáng)于H2CO3

方案三:將CO2氣體依次通過NaHSO3(或Na2SO3)溶液、品紅溶液。品紅溶液不褪色,證明H2SO3酸性強(qiáng)于H2CO3

三、以知識(shí)和技能為載體,重新審視實(shí)驗(yàn),學(xué)會(huì)對常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器的創(chuàng)新使用

實(shí)驗(yàn)是理科發(fā)展最重要的動(dòng)力之一,實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的重要方式。高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)題是借助實(shí)驗(yàn)情境來考查物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)原理,這是高考題的命題原點(diǎn)。要引導(dǎo)考生通過對“問題”的分析,形成假設(shè),設(shè)計(jì)探究活動(dòng)并進(jìn)行驗(yàn)證,概括歸納所獲得的結(jié)論。例如,在后期復(fù)習(xí)階段,挖掘“教材”中的實(shí)驗(yàn)素材,創(chuàng)設(shè)“問題”情境來實(shí)現(xiàn)對知識(shí)的深層次理解,并不斷強(qiáng)化基本實(shí)驗(yàn)操作,直至對常規(guī)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新使用,提升科學(xué)素養(yǎng)。

例3綠礬是含有一定量結(jié)晶水的硫酸亞鐵,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要的用途。某化學(xué)興趣小組對綠礬的一些性質(zhì)進(jìn)行探究。回答下列問題:

(1)在試管中加入少量綠礬樣品,加水溶解,滴加KSCN 溶液,溶液顏色無明顯變化。再向試管中通入空氣,溶液逐漸變紅。由此可知:____、____。

(2)為測定綠礬中結(jié)晶水含量,將石英玻璃管(帶兩端開關(guān)K1和K2)設(shè)為裝置A,稱重,記為m1g。將樣品裝入石英玻璃管中,再次將裝置A 稱重,記為m2g。按圖3連接好裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖3

①儀器B的名稱是____。

②將下列實(shí)驗(yàn)操作步驟正確排序:_____(填標(biāo)號(hào));重復(fù)上述操作步驟,直至A 恒重,記為m3g。

a.點(diǎn)燃酒精燈,加熱

b.熄滅酒精燈

c.關(guān)閉K1和K2

d.打開K1和K2,緩緩?fù)ㄈ隢2

e.稱量A

f.冷卻到室溫

③根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄,計(jì)算綠礬化學(xué)式中結(jié)晶水?dāng)?shù)目x=____(列式表示)。若實(shí)驗(yàn)時(shí)按a、d次序操作,則使x_____(填“偏大”“偏小”或“無影響”)。

(3)為探究硫酸亞鐵的分解產(chǎn)物,將(2)中已恒重的裝置A 接入圖4所示的裝置中,打開K1和K2,緩緩?fù)ㄈ隢2,加熱。實(shí)驗(yàn)后反應(yīng)管中殘留固體為紅色粉末。

圖4

①C、D 中的溶液依次為____(填標(biāo)號(hào))。C、D 中有氣泡冒出,并可觀察到的現(xiàn)象分別為_____。

a.品紅 b.NaOH c.BaCl2

d.Ba(NO3)2e.濃硫酸

②寫出硫酸亞鐵高溫分解反應(yīng)的化學(xué)方程式:___。

解析：考生在面對真實(shí)情境下的實(shí)驗(yàn)素材,特別是涉及動(dòng)手、創(chuàng)新能力方面的試題時(shí),最關(guān)鍵的就是要聯(lián)想到課本上介紹的類似相關(guān)實(shí)驗(yàn),清楚影響實(shí)驗(yàn)效果的原因,并學(xué)會(huì)提出:有什么好的改進(jìn)方法? 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)是什么? 等等。這樣,就會(huì)明白解決問題的關(guān)鍵所在,就不難對試題中所設(shè)計(jì)出的方法進(jìn)行評價(jià),并能評價(jià)出各種方法的優(yōu)劣,從而順利地完成對試題的解答。

(1)從實(shí)驗(yàn)基本操作方法入手,取少量樣品放入試管中,加適量水溶解,然后滴加KSCN 溶液,溶液顏色無明顯變化,說明硫酸亞鐵與KSCN 不反應(yīng);再向試管中通入空氣,溶液逐漸變紅,說明有Fe3+產(chǎn)生,即硫酸亞鐵易被空氣氧化為硫酸鐵,Fe3+遇KSCN溶液顯紅色。

(2)①根據(jù)儀器裝置圖可知,B 是干燥管;②由于裝置中含有空氣,空氣能氧化硫酸亞鐵,則加熱前需要排盡裝置中的空氣,可利用氮?dú)馀懦隹諝狻榱耸股傻乃魵馔耆懦?應(yīng)先熄滅酒精燈,再冷卻,然后關(guān)閉K1和K2,最后稱量,即正確的排序是d、a、b、f、c、e。③依據(jù)題中條件,樣品的質(zhì)量是(m2-m1)g,加熱后剩余固體是硫酸亞鐵,由失水后的反應(yīng)方程式可得出;若實(shí)驗(yàn)時(shí)按a、d次序操作,在加熱過程中硫酸亞鐵被空氣氧化為硫酸鐵,則導(dǎo)致m3偏大,使x偏小。

(3)從題給實(shí)驗(yàn)操作步驟可得出:①最終得到紅色粉末,說明有氧化鐵生成。即分解過程發(fā)生了氧化還原反應(yīng),依據(jù)化合價(jià)變化可知一定有SO2生成,說明硫酸亞鐵分解生成氧化鐵、二氧化硫和三氧化硫。三氧化硫溶于水生成硫酸,硫酸和Ba2+結(jié)合生成白色硫酸鋇沉淀,由于硝酸鋇在酸性溶液中有氧化性,能氧化SO2,則所選用試劑為BaCl2,檢驗(yàn)SO2用品紅溶液,所以C、D 的溶液依次為BaCl2溶液和品紅溶液,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是C 中溶液變渾濁,產(chǎn)生白色沉淀,D 中品紅溶液褪色。②從上述分析可知,硫酸亞鐵高溫分解的方程式為。

答案：(1)樣品中沒有Fe3+硫酸亞鐵(Fe2+)易被空氣氧化為硫酸鐵(Fe3+)

總之,考生在復(fù)習(xí)中必須有較強(qiáng)的問題與創(chuàng)新意識(shí),在立足基礎(chǔ)的同時(shí),根據(jù)試題真實(shí)情境從不同的方位(角度)提出問題,并在提出問題的過程中逐一解決問題,直至進(jìn)行新的發(fā)現(xiàn)——?jiǎng)?chuàng)新。這樣,創(chuàng)新能力的培養(yǎng)才不只是停留在口頭上,而是扎扎實(shí)實(shí)地得到落實(shí),創(chuàng)新能力會(huì)得到較大程度的發(fā)展,在高考中才能做到戰(zhàn)無不勝。